1高压电动机变频调速的节能意义

我国各种电动机的总耗电量约占全国总消费电量的60%以上。按照我国设计规范规定，200kW以上电动机建议采用高压电动机。我国高压电动机耗电量约占电动机耗电量的60%，变频节能潜力约800亿kwh。高压电动机与低压电动机对比，数量(台数)比例约为l：4，容量(功率)比例约为3：2。目前，我国每年总消费电量已突破25000亿kWh，如按电动机的总耗电量占全国总消费电量的60%、高压电动机的耗电量占电动机耗电量的60%、可改造率暂按30%、微观(单台)节电率仅按30%预测，全国宏观年节电能力可达：25000亿kWh×60%X60%×30%×30%=810亿kwh，相当于新建100万kw机组、年均运行5000h的大型发电厂16座，接近于三峡水电站年总发电量。综合电价若按平均0.5元/kwh计算。我国宏观年节电价值可达：0.5元/kWhx 810亿kWh=405亿元。高压电动机变频调速节电技术，已经成为我国节能技术措施中的“重中之重”。

2针对高压电动机的两种变频调速技术路线

高压电动机绝缘等级高，既是优点又是缺憾。因为绝缘材料占据了电动机定子铁心槽的太部分空间，相对限制了导体的利用空间。为了达到所需额定功率，势必加大槽空间(窗口截面积)，通常选择较大号的机座，以增大铁心槽窗口截面积;或者选择同机座号而较长序号的铁心，以增大铁心轭部截面积来减少线圈匝数，为臃厚的高压绝缘预留足够的空间。导致损失大约10%～25%的额定功率作为电动机升压的代价。而且，电动机额定电压越高，绝缘等级也就越高，机座号或者铁心长度序号越大，材耗越大，效率越低，功率因数亦低，能耗越大，造价越高，成为结构不台理和运行不经济的先天性缺憾。

因此，围绕着高压电动机变频调速也形成了两条技术路线。一是以高压变频为代表的，基于低效率高压电动机的高成本高风险的变频技术路线;本专利则采用了另一条路线，基于高压电动机增容提效的低成本高可靠的变频技术。

3增窖型高—低压变频调速集成装置结构及规格

增容型高一低压变频调速集成装置，由容许过压5%～25%运行的低压大容量变频器LF，提供低压大容景变频器LF合理升压增容的多功能变压器T，利用普通高压电动机通过变换其定子绕组接线结构及线圈绝缘结构改制而成的增容型低压变频调速电动机HM’，以及低压变频/工频切换开关Ct、Cf、Cw所集成。其特征在于增容型低压变频凋速电动机HM’采用高压电动机铁心结构，定子绕组采用中压绝缘结构，定予绕组采用低压接线结构，非负荷端轴承采用绝缘结构，低压大容量变频器LF采用输入电压补偿装置。集成装置结构见图1。

图1 增窖型高—低压变频调速集成装置结构圈

主要技术规格如下。

适用电网电压：3～10kV;

电动机功率：200～5000kW;

变频装置(含变压器)效率：≥96%;

高压侧功率因数：≥0.95;

高压侧电压总谐波：≤1.6%;

运行模式：变频/32频，手控/8控，现场/远控，一拖多台;

自控系统：PLC，DCS，FCS等。

4电动机增容提效原理

4.1普通高压电动机定子结构

普通高压电动机定子结构为：高压电动机铁心结构+高压绝缘结构+高压接线结构。

高压电动机为了适应高压输电的需求，不得不使用的高压绝缘材料，占据了大部分槽空间，因此槽满率低(绝缘材料的占空比>2/3，而导线的占空比<1/3)，效率低，功率因数低，能耗大，材耗大，造价高。

显然，高压电动机的额定电压等级越高，机座号越大，材耗越大，效率越低，功率因数越低，能耗越大.造价较高。

4.2普通低压电动机的定子结构

普通低压电动机定子结构为：低压电动机铁心

结构+低压绝缘结构+低压接线结构。

低压电动机因绝缘很薄而槽满率高(绝缘材料的占空比≤1/2，导线的占空比≥1,-2)，效率高，功率因数高，能耗少，材耗少，造价低。但是，正是因为绝缘薄而脆弱，特别是在变频工况下，长期承受数倍于额定电压的高载频脉冲产生的自感电势和高次谐波峰值电压的冲击，加速绝缘老化甚至击穿，埋下事故隐患。况且，低压电动机受制造工艺限制，其标准容量最大不超过500kw，应用范围很有限。

4.3利用高压电动机增容提效的定子结构

增容型低压变频电动机定子结构为：高压电动机铁心结构+中压绝缘结构+低压接线结构。

本专利技术利用普通高压电动机的机座和铁心结构，改用“中压绝缘结构”和“低压接线结构”，实现低压增容变频调速。中压的范围为1500V～3000V，与6000V和10000V的“高压绝缘结构”相比.绝缘可适度减薄1/2～2/3，既能长期承受数倍于额定电压的高载频脉冲产生的自感电势和高次谐波峰值电压的变频工况，又提高了槽满率(导线的占空比>1/3—1/2)，使额定功率提高1～3个标准功率等级，效率提高0.5%--3%，功率因数提高0.1—0.2，同功率的高压电动机制造材料消耗可降低10%-20%。

(1)确定高一低压电压等级。

本增容型高一低压变频调速集成装置的高压输入电压是已知的，即用户的电网电压;而低压则是优选的。优选的原则是：鉴于目前市售的通用型低压大容量变频器以380V 500V和690V居多，且技术成熟，运行可靠，功能较全，价格较低，对于560kW及以下的高压电动机，选择440V--500V大容量变频器更为经济;对于630kw及以上的高压电动机，为了减少低压电缆压降和线损，宜选择690V太容量变频器。

(2)计算定子线圈新匝数。

在保持原高压电动机(气隙、定子齿部和轭部)磁通密度不变的前提下，本定子线圈匝数W’由下式决定：

W’=W&middot;(Un’/Un)&middot;(Kw’/Kw) (1)

式中：w一原高压电动机定子线圈匝数，匝;

Un’一本增容型变频调速电动机额定电压V;

Un-一原高压电动机额定电压V;

Kw’一本电动机定子绕组接线常数，Y接为1倍并联支路数，△接为 根号下3倍并联支路数;

K，一原高压电动机定子绕组接线常数，多数1路Y接为1，少数2路Y接为2，1路△接为根号下3。

适度提高磁通密度，新定子线圈匝数W’可反比减少，有助于进一步增大电动机容量。

(3)确定定子线圈及导线的绝缘材料。

本电动机定子线圈导线的绝缘层可选择一层玻璃丝包绝缘。而常规额定电压6kV电动机的定子线圈导线多采用两层玻璃丝包绝缘，常规额定电压10kv电动机的定子线圈导线多采用三层玻璃丝包绝缘。

利用原高压电动机定子线圈的高等级绝缘外包扎，本电动机定子线圈的绝缘材料厚度δi’由下式决定：

式中：Ku一本电动机定子绕组耐压系数，标志适应变频脉冲工况及高次谐波产生的峰值电压的能力，可取6～10倍，对于3相6脉冲输出波形的变频器取高倍数，对于加有输出滤波器或者大于3相6脉冲输出波形的变频器取低倍数;

2Un+1000一原高压电动机定子绕组的耐压指标，v;

δi—原高压电动机定子线圈的绝缘材料厚度。

采用耐压和耐热等级更高的绝缘材料，本定子线圈的绝缘材料占空比d 7可进而减小，线圈导线截面积可进而加大，有利于电动机进一步增容。

(4)计算定子线圈新导线截面积。

在保持原高压电动机定子线圈导线电流密度不变的前提下，本电动机定子线圈导线截面积s。’由下式决定：

式中：Kf""一本电动机定子线圈填充系数，可取0.85--0.9，对于单股导线截面积较大者，考虑导体电流的集肤效应和绝缘材料的机械强度而取低值，反之亦然;

Se一原电动机定子线圈导线截面积。

原高压电动机定子槽导线总截面积的占空比δcu计算：

δcu=Scu/SFe (4)

式中：Scu一原高压电动机定子槽导线总截面积;

SFe—原高压电动机定子铁心槽窗口面积。

本增容型低压变频调速电动机定子槽导线总截面积的占空比δcu’计算：

δcu’=Scu’/SFe’(5)

式中：Scu’一本电动机定子槽导线总截面积;

SFe’一本电动机定子铁心槽窗口面积。

(5)计算电动机的新额定电流。

在保持原高压电动机定子线圈导线电流密度不变的前提下，本电动机的额定电流j。’由下式决定：

式中：In一原高压电动机的额定电流，A。

(6)计算电动机的新额定功率。

本电动机的额定功率P。’由下式决定：

Pn’=Pn&middot;(Un’/Un)&middot;(In’/In) (7)

式中：Pn一原高压电动机的额定功率，kW。

如果电动机只增容而未增载，相当于减小电流密度运行可降低电动机温升。

5通用低压变频器升压增容原理

现有通用型低压变频器的标准电压制式以400V、440v、500v和690v居多.而且所有的变频

器都不带“输入电压补偿装置”。例如额定电压400v、440v、500v变频器.在我国只能运行在380V低压动力电源上，如果想增加一级动力变压器将380V升至4DOV或440V、500V，相当于增加一个变电站，投资之大也是不现实的。因此，目前量大面广的低压变频器因欠压运行，不仅达不到原额定输出功率，而且只能减容(分别降低容量5%、14%和24%)使用，造成大量有用资源的浪费。

本专利技术提供“变频器输入电压补偿装置”。使普通变频器输入电压提升到最高容许值，实现变频器增容10%～30%。通过同一台多功能变压器T，既对高压电动机改压后实施降压，又对变频器适度升压，一举两得，不另增加装置成本和空间。变频器升压增容前的实际输出功率Pp和增容后的最大输出功率Pmax’，取决于变频器的最低额定功率Pnmin和最高额定功率Pnmax、最低额定电压Unmin。和最高额定电压Unmax、实际电源电压Up和最大容许工作电压Umax’，如下式：

以Vacon NXP0730 5型变频器为例，实际电源电压UP=380V时，其低过载(风机泵类负载)的实际输出功率为：Pp=400kW x 380V/400V=380kW。

本技术可提供其最大容许工作电压(取容许过压系数为1.05)：Umax’=1.05x500V=525V。

其低过载(风机泵类负载)时的最大输出功率可增至：

Pmax’=380kW×525V/380V=525kW，

增容幅度为：525-380—100%=38.16%。

表1和表2分别列出低过载和高过载时VaconNX5型变频器最低额定电压Unmin的额定功率Pnmin和最高额定电压Unmax的额定功率Pnmax。

目前这类变频器在我国只能运行在380V低压动力电源上。通过“变频器输入电压补偿装置”，可使之升压增容1～2个标准功率等级，见表1和表2。

6综合效益分析

本专利技术与国内外高压电动机变频调速技术对比，具有“四高”、“四低”、“四省”特点。

表1对Vacon380—500V变频器实施升压增窖一览表

(1)“四高”。

高功率。在保持原高压电动机磁通密度和电流密度基本不变、且机械特性容许条件下，可提高额定功率l--3个功率等级。具体来说，对于3kV电动机可增容1个功率等级;对于6kV电动机可增容l-2个功率等级;对于lOkV电动机可增容1--3个功率等级。在保持普通低压变频器额定电流不变前提下，可提高其输出功率5%～25%，即0.5～2个功率等级。同时，还可提高传动设备的生产能力10%～20%。

高效率。本变频系统效率大于96%。其中变频器效率为98%，变压器效率为98.8%，电动机的额定效率可提高0.5～5百分点。

高功率因数。本变频系统高压侧功率因数可达0.95以上。

高可靠性。一是采用无油枕全密封变压器或者干式变压器均系免维护类型;二是选用技术成熟的低压大容量变频器安全可靠，使用寿命长达70000h;三是利用高等级绝缘的电动机运行在低压变频工况下，绝缘寿命可谓无限长;四是非负荷端轴承采用绝缘结构，切断轴电流和轴电压，从而延长轴承使用寿命;五是备有变频/工频切换开关，一旦变频器发生故障即可及时切换到工频启动一运行模式，即使是工频运行，电动机仍可增容。

(2)“四低”。

低谐波。本变频系统高压侧电压总谐波低于1.6%(国家标准限定值4%)。这是因为本变压器高/低压两侧绕组采取分立式绝缘隔离结构，高压侧或者低压侧采用带有升压线圈的延边三角形连接结构，无零线供电模式，可有效地隔离、吸收和抑制变频过程中产生的高次谐波，使高次谐波分量远低于国家标准限定值。

低成本。所用全密封无油枕变压器、通用型低压大容量变频器以及变频/3"频低压切换开关价格都比常规高压变频装置低得多，而高压电动机的改接线改压费用大约是电机价格的20%，增容改压费用也不过电机价格的40%。不仅降低了变频装置成本，同时还提高了电机的功率等级，使本装置每kW的销售价格只有1000元左右。尤其是新建工程，可以降低1-3个功率等级订购普通型高压电动机，又省一笔减容费用。总之，对比国外高压变频装置单价低50%左右，比国内高压变频装置单价低30%左右。

低温升。通常高压电动机工频运行时，电网低谷时电压往往偏高，导致电动机定子过激磁而过热;高峰时电网电压又往往偏低，造成电动机转子滑差加大而过热。而本装置一是实现了变压器、变频器与电动机的电压制式的最佳匹配;二是将电动机绝缘材料合理减薄，使机内冷却空气量(m3/s)增加17%左右，从而有效地降低了电动机运行温升;三是增容而未增载时，即相当于降低电流密度运行，将进一步降低电动机的运行温升，延长其使用寿命。

低压安全。由于变压器将高/低压隔离，从变压器的输出侧一变频器一电动机的运行电压只有几百伏，颇有安全感，便于操作和维护。

(3)“四省”。

省工期。本变压器的制造周期只要15～20天;变频器的供货周期只需1～2月;电动机改压大约1周左右，增容改压大约1个月左右;控制柜加工不超过1周;安装(包括敷设低压动力电缆和控制屏蔽电缆，无须重打地基和更换对轮)约1周左右，当天调试当天投运。总施工期(即见效期)仅为0.5～3个月。

省投资。不但现场改造(电动机改绕定子绕组)成本低，而且新建项目(电动机采用新数据绕制，可节省改制费用和时间)成本更低，即投资省，见效快，投资回收期一般约为1～2年。

省能源。实施本技术方案的微观(单台)节电率为20%～50%，宏观(全国)年节电能力可达600多亿kWh。

省原材料。在同等原材料和元器件配置前提下，本方案能提高电动机的额定功率1～3个等级，提高变频器的额定容量5%--25%，即0.5--2个功率等级;在同等功率前提下，本方案可节省制造高压电动机的钢材和矽钢片10%～15%.节约高压绝缘材料40%～60%。

该项新技术，经鞍山权晟电子电力有限公司在冶金、石化、煤炭、机械等领域12个用户的泵、风机、空压机等设备技术改造和基本建设项目中实施，至今已增容48台高压电动机累计25.9MW，增容39台低压大功率变频器累计26.8MW，均取得了节能和节材等多重效益。

辽宁省科学技术厅与辽宁省经济委员会于2005年6月组织有关专家。分别召开了“科学技术成果鉴定会”和“新产品(新技术)鉴定会议”。鉴定结论意见：“‘增容型高一低压变频凋速集成装置’，技术成熟，方案具有创新性，产品具有先进性，达到了目前同类应用领域的国际先进水平。该技术成果实用性强，具有推广价值。”本技术方案于2005年3月30日和2007年5月2日分别获得了国家知识产权局授予的实用新型专利权(专利号：ZL200420031105.5)和发明专利权(专利号：ZL200410021252.9)。

7典型应用实例

实例1。鞍钢齐大山铁矿调军台选矿厂6台3组每2台串联模式的6kV、630kW渣浆泵电动机，采用本增容型变频方案后，成功地解决了以往变频调速后的电动机功率明显下降难题，分别于2004年5月、11月和2005年3月分三期陆续投入运行，获得了显著的技术进步。

(1)原JSl512—8型630kW电动机通过采用“中压绝缘结构”取代原“高压绝缘结构”，增容为700--730kW。

(2)节能电率11.5%～32.7%，年节电价值115万元。

(3)取代液力偶合调速器，年节维修费用34.28万元，并改善了现场操作环境。

(4)提高了浆渣泵的输送能力10%～20%，年均增收节支219.42万元，运行21个月即可收回6套变频装置及其节能技术改造的全部投资。

实例2。本钢歪头山铁矿4号泵站共有6台机组，变频改造前实行1工5备并联工频运行模式;变频改造后实施2工4备(即每2台为1组分为3组，1工2备)串联变频运行模式。2006年lO月20日14和28机组，首先实现增容变频调速运行。经两个多月的考核，2台串联变频运行模式与原单机工频运行模式对比如下。

(1)电动机增容了12%。利用原6kV、625kw电动机改压增容为690V、700kw，节省更新电机购置费约100万元。

(2)免除了对电网、机组及管路的冲击。过去工频启动时，高压柜电流表超过满量程(为额定电流的5～7倍)，经数十分钟后才能回落到运行值，故在工频全压全速启动过程中，严重冲击电网、机组及管路;而今实施变频启动，电动机的电流和转速从零逐渐地升至运行值，从此免除了对电网、机组及管路的冲击。

(3)避免了管道“喘振”问题。原单机工频运行时.运送管内经常出现“喘振”现象。出口尾浆分布不均匀;现在双机串联平稳调速运行，出口尾浆分布十分均匀，从而避免了“喘振”现象。

(4)根除了电缆“放炮”事故。原电动机工频运行时严重超载，出线盒处高压电缆经常发生过流崩断“放炮”事故，导致高压柜跳闸停产;增容后的电动机处于变频轻载高效运行状态，加上变频器的多重保护作用，不存在此类事故。

(5)规避了尾浆“下垂”风险。过去停机时，包括正常停机和非正常停机，几十米高的尾浆将瞬时“下垂”，易引发“爆管”事故;现在采用平稳降频减速停机方式，可避免尾浆突然“下垂”风险。即使发生一个机组非正常停机，此时另一个机组仍在变频运行，虽然不能输出尾浆，却能顶住或缓解尾浆“下垂”趋势，从而规避“爆管”风险。例如，12月份该矿某处发生一次电网瞬间短路，2”高压柜困有欠压保护故而跳闸，导致28变频器失电，28机组停机，此时10机组仍在运行，虽然无力输出尾浆，却顶住了尾浆“下垂”趋势，随即倒泵便化解了危机。

(6)节约了能源。原电动机额定电流为76A，而工频运行时电流高达80～100A，平均90A;现在两台电动机变频运行时高压柜电流不到80A，还包含了站内所有辅助设备和照明用电电流，不仅节省了有功电能，而且高压侧的功率因数也由原工频运行时的0.8以下提高到变频运行时的O.96以上，并节省了无功电能。.

(7)延长了设备使用寿命。增容后的电动机采用中压等级绝缘，却在低压690V下运行，可谓绝缘寿命无限长;同时，园绝缘厚度适度减薄而改善了散热条件，使内风冷空气量由1.71n3/s提高到2.0m3/s;还因绝缘厚度适度减薄而放大了线规，使定子绕组导线的电流密度由原来的5.5A/mm2降低到4A/mm2以下，既减少了铜损(12R)，又降低了发热量(腰);至今电动机的运行温度平均只有50℃左右，然而过去电动机工频运行时的温度高达100℃

以上，必将延长电动机的使用寿命。泵的使用寿命也因软启动和减速运行而大为延长。

(8)改善了作业环境。增容后的电动机全部改用瑞士进口轴承，噪音很低。现在两台电动机变频运行的噪音比过去单台电动机工频运行的噪音还低。

实例3。鞍钢大孤山铁矿选矿厂6台3组每2台串联的10kV、800kW渣浆泵电动机，仅2组中各有1台泵采用本增容型变频方案，实施变频调速泵与工频恒速泵串联运行，变频泵电动机的功率由800kw增至l000kw，于2006年10月投人运行，变频电动机的运行电流仅为工频电动机的一半。本变频电动机的造价仅为国外变频电动机的1/3，国产变频电动机的1/2。

实例4。辽阳化纤总公司动力厂RW(国外)系统1台pMlllB供水泵JSl38—-4型6kV、300kW电动机，应用本技术取得以下效益：

300kW电动机增容为350kW(实际已达410kW);原Vamn Cx4型400V、250kw变频器升压增容为440V、346.5kW;

2004年10月投入运行以来，日均供水量由原来的42322m3增加到44177m3，日均用电量却由11422kwh下降至9492kWh，日均单耗下降率即节电率为20.38%，如表2所列。

实现了管网恒压闭环自动控制，稳定了管网压力，提高了自控水平，大大降低了操作工的劳动强度。

表2辽阳化纤总公司PMIIlB清水泵变频前后现场运行数据对比

实例5。吉林珲春煤炭(集团)有限公司八连城矿新建主扇2台对旋轴流通风机，选用本增容方案，只订制4台(2工2备)6kV、250kW防爆电动机，通过采用“中压绝缘结构”取代原“高压绝缘结构”增容到500V、280kW;两台Vacon NX5型400V、500kw变频器通过采用“变频器输入电压补偿装置”，升压增容到500V、630kw，于2006年7月投入运行，月电费仅为2.3万元，而邻近的英安矿应用传统主扇月电费高达12，73万元。继八连城矿成功经验推广后，该公司所属另外两矿主南也正在实施该项变频调速节能技术。八连城矿与英安矿同等容量下风机变频、工频对比详觅表3。

表3珲春八连城矿与英安矿同等容量对旋轴流通风机变频/工频对比

实例6。锦州化工机械有限公司透平机与离心压缩机分厂新建的离-Ii,式压缩机试验台，是利用一台从废弃的德国二手生产线上拆下来的的美国威斯康星州米尔沃基电机厂制造的JTX型4kV、lOooHP、60Hz、2极、只限顺时针运行的防爆型电动机，通过本技术实施了逆向增容，达到双向变频调速的目的。于2005年3月15日，经过反向增容改造实现逆时针变频软启动和调速试运行。同年5月17日，实现了编码器闭环高精度变频调速。5月30日，重载试车成功。该试验台投入使用后，每年可节省委托试验费数十万元。

参考文献

[1]吕志斗.实用广谱变频节能技术[M].沈阳：辽宁科学技术出版社。1999.

[2]吕志斗开发应用大功率变频调速技术是贯彻《节能法》的重大举措[J]变频器世界，1999，(12)：15—20.

[3]吕志斗.广谱变频系统工程[J]变频器世界，2000，(3)：12—18.

[4]徐刚，吕志斗.贾明阁，等.增容型高—低压变频训速集成装置及其在石化行业的应用.变频器世界[J].2005.(3)：98—103.

[5]吕志斗，等增容型高一低压变频调速集成装置及其在冶金行业的应用[J].变频器世界，2005，(7)：56—63.

[6]吕志斗，等.高—低压PWM变频调速装置[P].中臼日专利：92216261.1，1993

[7]吕志斗，等.高—低压PWM变频调速集成装置[P]，中国专利：94228459 3+1996.

f8]吕志斗高一低压变频调速集成装置[P].中国专利：97205360 3，1999.

[9]吕志斗.面向高压电动机的高一低压变频调速集成装置[P].中国专利：02274200 X，2003，

[10]昌志斗.增容型高一低压变频调速集成装置[P].中国专利：200420031105 5，2005.

[11]吕志斗.增容型高一低压变频调速集成装置[P].中国专利：200410021252.9，2007.

作者简介：吕志斗(1941一)，男，辽宁营口人，硕士，教授，研究员级高级工程师，辽宁省软科学研究中心主任，鞍山市权晟电子电力有限公司技术总监，享受国务院政府特殊津贴。

长期从事电机和电子技术研究，首次提出节能电子学、能源电子学、广谱变频节能技术等概念.开创了面向高压电动机节能的高一低压和高一中压变频调速集成技术的理论和方案。